基于典型断面有限元模型的水库加固工程塑性混凝土防渗墙性能研究

温林山

(韶关市华源水电建设有限公司,广东 韶关 512026)

0 引 言

2008年以来,混凝土防渗墙逐渐在国内得到较大发展,部分混凝土防渗工程建设处于世界领先水准[1-2]。但刚性混凝土防渗墙自身存在一定局限性,这集中体现在其具有的超高弹性模量上,如一般的刚性混凝土防渗墙的弹性模量高达10 000MPa[3-4]。高弹性模量使该类防渗墙与其周围土体难以保持变形协调,因而防渗墙顶及其侧面的受力会相对增加,导致墙体损坏的风险增加,也威胁着水坝的安全[5]。塑性混凝土由于采用黏土或膨润土替代防渗墙中部分水泥用量,使其具备了低弹性模量同时高渗透性的特点[6]。此外,由于塑性混凝土采用较低含量的水泥材料,其适应周围土体变形能力增强,因此具有较高的抗裂能力。从经济效益上考虑,由于塑性混凝土原材料可以就地取材,因此效益更高。鉴于此,本文基于有限元法,分析不同配合比下塑性混凝土防渗墙的抗压性能。

1 基于ABAQUS的塑性混凝土防渗墙性能分析

1.1 防渗墙加固施工分析

防渗墙属于地下连续防渗墙体。在墙体上凿孔或挖孔后,待填充的防渗材料将被浇筑于孔中,从而得到防渗墙。塑性混凝土防渗墙属于应用较广的一种防渗墙。在原材料的用量上,塑性混凝土防渗墙中,水泥含量较低,而膨润土和黏土等含量较高,这种配比特点可使其具备较好的抗渗性能以及抗震性能[7]。图1为水利工程中防渗设计的主要内容。

图1 防渗设计的主要内容

从图1可以看出,防渗设计首先需要进行墙体材料和墙体厚度的选取,然后进行渗流计算以及结构计算,最后确定防渗墙与其他建筑的连接方式,并对之进行质量监测。防渗墙厚度设计重点在于防渗耐久性设计。对于防渗墙而言,其耐久性水平主要与防止渗流侵蚀以及防止化学溶蚀有关,而这两种对墙体的破坏效应与水力梯度紧密相连。因此,防渗墙厚度最终取决于水力梯度大小[8]。一般而言,水力梯度取值在50～60之间。墙体深度则取决于土石坝类型,当土石坝非新建类型而是需要除险加固时,墙体深度不仅要考虑坝基部分,还需要将坝体部分考虑在内。

造孔施工准备是防渗墙施工的重点。防渗墙的性能好坏由槽孔精度直接决定,所以造孔成槽工序将在墙体设计过程中占据50%的施工期限。为了获得良好的造孔质量,槽孔的定位放样需要按照设计方案严格执行,且需要将导向槽置于槽孔上方,以实现对槽孔方向的调控[9]。此外,为了提升工程效率,挖槽时需要进行分段处理,且对于每一个槽段,应分出主孔和副孔。

1.2 塑性混凝土抗压强度分析

塑性混凝土由水泥、黏土、膨润土等原材料构成。原材料使用量的差异带来混合比的不同,进而使塑性混凝土的力学性质发生变化。本研究旨在考察不同混合比下,塑性混凝土随每种原材料含量变化的力学参数变化规律。实验仪器液压式压力测试机主要由液压机、测力计以及传感器组成。液压机用于对试件施加外压;测力计用于显示试验力的大小;传感器包含记录荷载数据的压力传感器以及记录试件位移变化的位移传感器。参考相关技术参数,实验时最大试验力取600kN,试验力取值范围240～600kN,压力示数相对误差应低于1%,压盘间距500mm。图2为塑性混凝土坍落度试验示意图[10]。

图2 坍落度试验示意图

在进行试件坍落度试验之前,坍落度桶需要保持干净和一定湿度。将坍落度桶放在钢板上,并与钢板紧密接触。之后,塑性混凝土试件分3层装进漏斗,且需要保持各层试件体积相当。试验中,还需要使用一根金属棒,在坍落度桶中进行插捣操作。插捣操作完成后,需要将坍落度桶放在试件旁边,两者顶部高度差即为坍落度,单位为mm。试件扩散完成后,对应的直径为扩展度,单位为mm。立方体抗压强度值及圆柱体抗压弹性模量计算表达式如下:

(1)

式中:F为试件临近损坏时对应的荷载大小,N;A为试件受力面积,mm2;pcc为立方体抗压强度值,MPa。Ec为静力作用下的抗压弹性模量,MPa;F2、F1分别为40%占比的试件最大荷载以及20%的试件最大荷载,N;ΔL为应力F1增加到F2过程中试件形变量,mm;L为标距,mm。

立方体抗压强度试验以及圆柱体抗压弹性模量试验均是通过对试件施加荷载来测量试件的形变大小,区别在于前者使用的是立方体试件,后者采用的是圆柱体试件。

1.3 基于ABAQUS有限元软件的非线性分析

线性有限元分析要求土体材料的应力和变形曲线按照虎克定律变化,同时要求其变形位移微小,并处于理想约束条件。但塑性混凝土属于非线性材料,其应力应变曲线属于非线性变化。不仅如此,荷载大小的改变、环境因素的改变均会带来非线性因素。鉴于此,本研究选用具备较强非线性处理功能的有限元软件ABAQUS进行数值分析。该软件包含两个主求解器模块,分别是ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit。图3为非线性分析的3种类型。

图3 非线性分析的3种类型

从图3可知,非线性问题包含几何非线性、边界非线性以及材料非线性。其中,几何非线性是指在大挠度或者大弹跳的情况下,材料由于位移量过大而明显存在的非线性问题。几何非线性根据应变大小,可分为位移较大同时应变较大与位移较大但应力较小两种情况。本研究选用ABAQUS/Standard静力分析步中的nelgon开关,来处理几何非线性问题。边界非线性源自接触面的不断移动,一旦接触面因频繁移动而彼此分离,那么模型结果将无法获得收敛。因此,本研究将采用六自由度的模型,以求获得更高的稳定性。材料非线性是指由材料自身属性或者温度变化等因素带来的非线性,采用邓肯张E-B本构模型来模拟材料非线性。邓肯张E-B本构模型数学表达式如下:

(2)

式中:Et为切线变形模量;K、n分别为切线模量基数和切模量指数;c为凝聚力;φ、Rf分别为内摩擦角和损坏比例;Eur为切线弹性模量;Kur、nur为试验系数;Bt为体积弹性模量系数;m为体积模量指数;pa为大气压。

2 水库加固工程塑性混凝土防渗墙性能结果分析

2.1 工程概况

乳源瑶族自治县病险山塘水库除险加固工程(第一标段:大桥镇),规划建安工程费约2 000万元,勘察设计费约110万元,合计约2 110万元。本标段包括大桥镇共12个村50座病险山塘水库除险加固,其中小(Ⅰ)型水库2座,其余山塘水库为小(Ⅱ)型,这50座山塘水库是大桥镇约3万人的主要饮用水源之一。同时,还承担着大桥镇及周边区域农田灌溉、拦洪蓄水和调节水流等重要功能,解决下游0.1467×104hm2农田灌溉用水,下游区的防洪标准可由10年一遇提高至50年一遇,并减少洪水威胁,对本区域环境具有积极的保护作用。

主要建设内容为:2座小(Ⅰ)型水库的大坝采用塑性混凝土防渗墙加固,防渗墙布置于坝顶上游坡一侧,距坝轴线2m。防渗墙总长度133.35m,厚度为0.6m,墙底进入弱风化岩不少于1m。防渗墙施工后,重建C30钢筋混凝土防浪墙,重建坝顶路面。输水隧洞加固是先对现状钢管周边进行灌浆,孔径52mm,每排6孔,排距3.0m,孔深1m,灌浆压力初定0.5MPa,灌浆完成后,再进行套管灌浆,新管直径1.0m,壁厚10mm,长度110m。最后,对新钢管与现有钢管间灌浆填充。小(Ⅱ)型山塘水库进行坝坡混凝土护面加固,坝顶新建路面,完善坝坡排水设施,重建或维修溢洪道、交通桥、放水涵、输水底涵等。加固完成后,能充分发挥这批山塘水库的防洪、灌溉、供水、环保等功能。

2.2 塑性混凝土抗压强度结果分析

为了考察水泥、黏土和膨润土含量变化下塑性混凝土强度变化规律,本研究在原材料用量上设定5个等级。对于水泥原材料,用量分别为120、140、160、180和200kg/m3。对于黏土原材料,用量分别为60、80、100、120和140kg/m3。对于膨润土原材料,用量分别为0、60和120kg/m3。图4为不同水泥用量下的立方体抗压强度和圆柱体抗压强度变化曲线。

图4 不同水泥用量下立方体抗压强度和圆柱体抗压强度变化曲线

从图4可知,随着水泥含量从120kg/m3增加至200kg/m3,无论是立方体抗压强度还是圆柱体抗压强度均呈递增趋势,但抗压强度增长幅度则呈递减趋势。当水泥含量为140kg/m3时,7d龄期和28d龄期两种抗压强度增长率均高于30%。对于7d龄期的塑性混凝土而言,其立方体抗压强度最低为1.3MPa,最高为4.4MPa;其圆柱体抗压强度最低为1.1MPa,最高为3.6MPa。对于28d龄期的塑性混凝土而言,其立方体抗压强度最低为2.9MPa,最高为6.0MPa;其圆柱体抗压强度最低为2.3MPa,最高为4.9MPa。

图5为不同黏土用量下立方体抗压强度和圆柱体抗压强度变化曲线。

图5 不同黏土用量下立方体抗压强度和圆柱体抗压强度变化曲线

从图5可知,随着黏土含量从60kg/m3增加至140kg/m3,无论是立方体抗压强度还是圆柱体抗压强度均呈先减后趋于水平的变化趋势。当黏土用量从60kg/m3增加至80kg/m3时,7d龄期和28d龄期的塑性混凝土两种抗压均下降超过10%。对于7d龄期的塑性混凝土而言,其立方体抗压强度最低为2.7MPa,最高为3.0MPa;其圆柱体抗压强度最低为2.1MPa,最高为2.6MPa。对于28d龄期的塑性混凝土而言,其立方体抗压强度最低为5.0MPa,最高为6.2MPa;其圆柱体抗压强度最低为4.2MPa,最高为5.3MPa。

图6为不同膨润土用量下立方体抗压强度和圆柱体抗压强度变化曲线。

图6 不同膨润土用量下立方体抗压强度和圆柱体抗压强度变化曲线

从图6可知,随着膨润土含量从0kg/m3增加至120kg/m3,无论是立方体抗压强度还是圆柱体抗压强度均呈递减趋势。当膨润土用量从0kg/m3增加至60kg/m3时,7d龄期和28d龄期的塑性混凝土两种抗压均下降超过15%;当膨润土用量从60kg/m3增加至120kg/m3时,7d龄期和28d龄期的塑性混凝土两种抗压均下降超过40%。对于7d龄期的塑性混凝土而言,其立方体抗压强度最低为1.0MPa,最高为3.0MPa;其圆柱体抗压强度最低为0.86MPa,最高为2.6MPa。对于28d龄期的塑性混凝土而言,其立方体抗压强度最低为1.7MPa,最高为3.6MPa;其圆柱体抗压强度最低为1.47MPa,最高为3.1MPa。

3 结 论

塑性混凝土因其良好的防渗性能以及协调变形能力,在水利工程中得到广泛应用。为了研究不同原材料配合比下塑性混凝土的防水性能,本文通过有限元法对其进行了数值模拟分析。结果显示,当水泥含量从120kg/m3增至200kg/m3时,塑性混凝土7d圆柱体抗压强度在1.1～3.6MPa之间变化,28d圆柱体抗压强度在 2.3～4.4MPa之间变化。当黏土含量在60kg/m3增至140kg/m3时,塑性混凝土7d龄期圆柱体抗压强度在2.1～2.6MPa之间变化,28d龄期圆柱体抗压强度在4.2～5.3MPa之间变化。表明所提方法能够较好进行抗压强度计算,因此具有一定应用潜力。